Десятый класс → Углерод и его соединения ↓
Углеводороды и их классификация (алканы, алкены, алкины)
Углеводороды — это органические соединения, которые состоят только из атомов водорода и углерода. Это самые простые формы органических соединений, которые в изобилии встречаются в природе, особенно в ископаемых видах топлива, таких как природный газ, нефть и уголь. Изучение углеводородов является фундаментальной частью химии, поскольку эти соединения образуют основу органической химии.
Классификация углеводородов
Углеводороды можно классифицировать на несколько типов в зависимости от их структуры и связей. Основные классы:
- Алканы
- Алкены
- Алкины
- Ароматические углеводороды
Это обсуждение будет сосредоточено на первых трех, известных как алифатические углеводороды.
Алканы
Алканы, иногда называемые парафины, являются самой простой семьей углеводородов. Они содержат только одинарные связи и являются насыщенными углеводородами, что означает, что у них максимальное количество атомов водорода, прикрепленных к каждому атому углерода. Общая формула для алканов — C n H 2n+2
.
Алканы имеют различную длину цепей и могут образовывать разные структуры, но они все следуют той же основной формуле. Вот несколько примеров простых алканов:
- Метан (CH4)
- Этан (C 2 H 6)
- Пропан (C 3 H 8)
- Бутан (C4H10)
Структура и связи в алкенах
Алкены имеют тетраэдрическую геометрию вокруг каждого атома углерода, что означает, что каждый атом углерода образует четыре одинарные ковалентные связи с водородом или другими атомами углерода. Это связано с sp 3
гибридизацией орбиталей.
HH , HCCH , HH
На диаграмме этана выше, каждая линия обозначает одинарную связь между атомами.
Эта упрощенная диаграмма показывает структуру этана, где два атома углерода связаны одинарной связью.
Номенклатура алкенов
Называние алканов включает в себя определение самой длинной цепи атомов углерода и обозначение ветвей. Международные Союз Чистой и Прикладной Химии (IUPAC) правила именования применяются:
- Найдите самую длинную непрерывную цепь атомов углерода и дайте ей подходящее имя алкана.
- Определите и назовите любые ветви или боковые цепи.
- Пронумеруйте цепь с конца, ближайшего к ветке.
- Числа включают статус каждой ветви.
Например, в 2-метилпентане, основная цепь состоит из пяти углеродов (пентан), с метильной группой на втором углероде.
Алкены
Алкены — это углеводороды, содержащие как минимум одну двойную связь углерод-углерод. Они ненасыщенные углеводороды, потому что могут присоединять больше атомов водорода, разрывая двойную связь. Общая формула для алкена C n H 2n
.
Примеры включают:
- Этен (C 2 H 4)
- Пропен (C 3 H 6)
- Бутен (C4H8)
Структура и связи в алкинах
В алкенах, присутствие двойной связи означает, что атомы углерода, вовлеченные в нее, sp 2
гибридизованы, создавая плоскую структуру вокруг двойной связи.
H , C = C , HH
Эта структура представляет этен.
Номенклатура алкенов
Называние алкенов следует тем же правилам, что и для алканов, но необходимо указать положение двойной связи:
- Определите самую длинную цепь, содержащую двойную связь.
- Пронумеруйте цепь с конца, ближайшего к двойной связи.
- Включите положение двойной связи в названии.
Например, 1-бутен указывает на 4-углеродную цепь с двойной связью между первым и вторым углеродами.
Алкины
Алкины содержат как минимум одну тройную связь углерод-углерод, что также делает их ненасыщенными углеводородами с возможностью добавления большего количества водорода. Общая формула — C n H 2n-2
.
Некоторые примеры алкинов:
- Ацетилен (C 2 H 2), также известный как ацетилен
- Пропин (C 3 H 4)
- Бутин (C 4 H 6)
Структура и связи в алкинах
Тройная связь в алкинах состоит из одной сигма-связи и двух пи-связей, и атомы углерода sp
гибридизованы, придавая линейную геометрию.
HC≡CH
Это самый простой алкин, известный как ацетилен.
Номенклатура алкинов
Номенклатура алкинов включает указание положения тройной связи в углеродной цепи:
- Определите самую длинную углеродную цепь, содержащую тройную связь.
- Начните нумерацию цепи с конца, ближайшего к тройной связи.
- Включите положение тройной связи в названии.
Например, 1-бутин указывает на 4-углеродную цепь с тройной связью между первым и вторым углеродами.
Свойства углеводородов
Физические свойства
Углеводороды проявляют различные физические свойства в зависимости от их структуры:
- Температура кипения и плавления: С увеличением молекулярной массы температура кипения и плавления обычно увеличиваются из-за больших сил Ван дер Ваальса.
- Растворимость: Углеводороды в общем некополярны и нерастворимы в воде, но могут растворяться в неполярных растворителях, таких как гексан.
- Плотность: Углеводороды менее плотные, чем вода, из-за чего нефть плавает на воде.
Химические свойства
Химическая реакционная способность отличается между алкенами, алканами и алкинами:
- Алканы: Относительно малоактивны из-за прочности связей C-C и C-H. Они подвергаются горению и реакциям замещения.
- Алкены и алкины: Более активны из-за наличия двойных и тройных связей. Они подвергаются реакциям присоединения, в которых атомы присоединяются к углеродам, вовлеченным в кратные связи.
Использование углеводородов
Углеводороды имеют широкий спектр применений. Они являются основными компонентами топлива, такого как бензин, дизельное топливо и природный газ. Алканы служат основой для смазочных материалов и стартовыми материалами для многих других синтетических соединений. Алкены важны в производстве полимеров, таких как полиэтилен, в то время как алкины используются в сварке и синтезе других химических соединений.
Заключение
Понимание основ углеводородов и их классификации на алканы, алкены и алкины обеспечивает основополагающие знания для дальнейшего изучения органической химии. Признание вариаций в структуре и связях дает информацию об их физических и химических свойствах и широком спектре применений в реальных сценариях.